石一峰,黃英如,劉云霄,張 松,冼 華
1.重慶醫(yī)科大學(xué)中醫(yī)藥學(xué)院骨傷教研室,重慶 400016;2.中醫(yī)藥防治代謝性疾病重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400016
周圍神經(jīng)長(zhǎng)段缺損是嚴(yán)重的周圍神經(jīng)損傷,受來源限制,自體神經(jīng)移植不能滿足其修復(fù)需求[1-2]。同種異體神經(jīng)具有自體神經(jīng)相同的組織結(jié)構(gòu),最有可能替代自體神經(jīng)修復(fù)周圍神經(jīng)缺損。周圍神經(jīng)冷凍保存能為神經(jīng)缺損修復(fù)提供充足的神經(jīng)移植物。但冷凍保存過程中細(xì)胞內(nèi)外冰晶的形成和滲透應(yīng)力變化等,會(huì)影響冷凍保存后周圍神經(jīng)施萬細(xì)胞(Schwann cells,SCs)的活性[3-4]。而SCs 作為周圍神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能細(xì)胞,是周圍神經(jīng)損傷后促神經(jīng)再生營(yíng)養(yǎng)成分的主要來源,對(duì)神經(jīng)損傷后的軸突再生起著重要的作用[5-6]。因此,冷凍保存后具有活性SCs 的周圍神經(jīng),對(duì)異體移植后神經(jīng)再生具有重要作用。
熱休克蛋白(heat shock protein,HSP)是機(jī)體在各種應(yīng)激條件(包括缺血、熱應(yīng)激、氧化應(yīng)激等[7-8])下產(chǎn)生的一類對(duì)細(xì)胞具有保護(hù)作用的蛋白質(zhì)分子家族。HSP70作為HSP 家族中的主要成員,能增強(qiáng)細(xì)胞的耐受性,保護(hù)細(xì)胞免受致命刺激引起的細(xì)胞損傷[9-10]。有研究[11-12]表明,心肌細(xì)胞、胃黏膜細(xì)胞能夠通過誘導(dǎo)HSP70 高表達(dá)保護(hù)自身免受H2O2誘導(dǎo)的凋亡。
本研究模擬體外熱應(yīng)激環(huán)境,誘導(dǎo)周圍神經(jīng)表達(dá)HSP70,觀察HSP70對(duì)冷凍保存周圍神經(jīng)SCs的活性及異體移植后受者神經(jīng)再生的影響,探討HSP70 減輕周圍神經(jīng)冷凍保存損傷的可行性。
6~7 周齡SPF 級(jí)雌性SD 大鼠87 只(重慶醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物中心提供),體質(zhì)量160~200 g,動(dòng)物生產(chǎn)許可證號(hào)SCXK(渝)2018-0003。6~7 周齡SPF 級(jí)雌性Wistar 大鼠39 只(遼寧長(zhǎng)生生物技術(shù)股份有限公司提供),體質(zhì)量160~200 g,動(dòng)物生產(chǎn)許可證號(hào)SCXK(遼)2015-0001。實(shí)驗(yàn)大鼠飼養(yǎng)于重慶醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心,12 h 明暗交替,相對(duì)濕度65%~75%,室溫22~24 ℃。動(dòng)物使用許可證號(hào)SYXK(渝)2018-0003。實(shí)驗(yàn)符合重慶醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究倫理標(biāo)準(zhǔn)。
HSP70、 主要組織相容性復(fù)合體Ⅱ(major histocompatibility complex class Ⅱ,MHC-Ⅱ)、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)、膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(glial cell line-derived neurotrophic factor,GDNF)抗體(英國(guó)Abcam),半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3(caspase-3)、caspase-9、MHC-Ⅰ抗體(美國(guó)Affinity),高糖DMEM 培養(yǎng)基(美國(guó)Gibco),胎牛血清(fetal bovine serum,F(xiàn)BS)(上海吉泰依科賽生物科技有限公司),BCA 蛋白濃度測(cè)定試劑盒、Annexin V-FITC/PI 凋亡試劑盒(上海碧云天生物技術(shù)有限公司),生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(型號(hào)BL-420N,成都泰盟軟件有限公司)。
取SD 大鼠,腹腔注射2%戊巴比妥鈉(30 mg/kg)麻醉,無菌操作下分別截取兩側(cè)坐骨神經(jīng)片段15 mm,室溫下生理鹽水沖洗。隨機(jī)將大鼠坐骨神經(jīng)置于高糖型DMEM 培養(yǎng)基[含10% FBS 和1%青霉素-鏈霉素混合溶液(雙抗)]中,分別于37、42和45 ℃體外進(jìn)行預(yù)處理1 h(記為37 ℃組、42 ℃組和45 ℃組,每組36根神經(jīng))。另外設(shè)置未經(jīng)熱應(yīng)激預(yù)處理但需要進(jìn)行冷凍保存的對(duì)照組(Con 組,36 根神經(jīng))以及未經(jīng)熱應(yīng)激預(yù)處理且不進(jìn)行冷凍保存的新鮮神經(jīng)組(Fresh 組,30 根神經(jīng))。各組坐骨神經(jīng)用于移植術(shù)及相關(guān)檢測(cè)。
高糖型DMEM 培養(yǎng)基(含10% FBS、1% 雙抗、0.2 mol/L海藻糖)中分別加入5%、10%、20%的二甲基亞砜(DMSO)和乙二醇(DMSO 與乙二醇體積比1∶1),配制成含5%、10%、20%冷凍保護(hù)劑的冷凍保存液。
上述37 ℃組、42 ℃組、45 ℃組、Con組大鼠坐骨神經(jīng)先后在含5%、10%冷凍保護(hù)劑的冷凍保存液中室溫靜置10 min;然后于含20%冷凍保護(hù)劑的冷凍保存液中,4 ℃靜置30 min,-20 ℃靜置1 h,-80 ℃靜置1 h;最后于液氮保存4周。
保存4 周后的坐骨神經(jīng)于37 ℃水浴鍋中復(fù)溫3 min,先后在含10%、5%冷凍保護(hù)劑的冷凍保存液中室溫靜置10 min,再于含10% FBS 和1%雙抗高糖DMEM 培養(yǎng)基中室溫靜置10 min。
取受體Wistar 大鼠,麻醉同前,暴露右大腿中部坐骨神經(jīng),距梨狀肌下緣5 mm 處造成10 mm神經(jīng)缺損。將37 ℃組、42 ℃組、45 ℃組、Con 組、Fresh 組SD 大鼠坐骨神經(jīng)(每組6 根)修剪至10 mm,用于修復(fù)對(duì)應(yīng)Wistar大鼠坐骨神經(jīng)10 mm 缺損(分別為37 ℃-Allo 組、42 ℃-Allo組、45 ℃-Allo組、Con-Allo組、Fresh-Allo組,每組6 只Wistar 大鼠)。同時(shí)設(shè)置Wistar 大鼠坐骨神經(jīng)同系移植組(Fresh-Iso組);取9只Wistar大鼠,將其中3只處死取雙側(cè)坐骨神經(jīng)移植至6 只受體大鼠坐骨神經(jīng)缺損處。手術(shù)顯微鏡下行神經(jīng)外膜無張力間斷縫合4~6針,逐層縫合切口。手術(shù)操作由單人完成。
1.6.1 Western blotting 檢測(cè)坐骨神經(jīng)HSP70 表達(dá) 取37 ℃組、42 ℃組、45 ℃組、Con組SD大鼠坐骨神經(jīng)(每組6根),加入裂解液,組織勻漿后13 700×g離心15 min,取上清液。BCA法蛋白定量后,用十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠分離蛋白質(zhì),并轉(zhuǎn)移到聚偏二氟乙烯膜,封閉,TBST洗膜,加HSP70(1∶1 000)、β-actin(1∶5 000)抗體孵育,TBST洗膜,加入山羊抗兔IgG(1∶10 000)二抗孵育,化學(xué)發(fā)光顯色。Image J軟件分析蛋白條帶灰度值。
1.6.2 Western blotting 檢測(cè)坐骨神經(jīng)MHC-Ⅰ、MHC-Ⅱ及caspase-3、caspase-9 表達(dá) 取37 ℃組、42 ℃組、45 ℃組、Con組冷凍保存4周的SD 大鼠坐骨神經(jīng)和Fresh組SD 大鼠坐骨神經(jīng)(每組6 根),Western blotting 檢測(cè)MHC-Ⅰ、MHC-Ⅱ蛋白的表達(dá)。上述各組再取6 根神經(jīng),同樣方法檢測(cè)caspase-3和caspase-9蛋白的表達(dá)。
1.6.3 流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)冷凍保存后坐骨神經(jīng)細(xì)胞的存活率 將上述冷凍保存4 周的坐骨神經(jīng)和Fresh 組坐骨神經(jīng)(每組6 根),用預(yù)冷的磷酸鹽緩沖液(phosphate buffered saline,PBS)清洗,置于6 孔板中,用直頭眼科剪剪碎神經(jīng)組織至長(zhǎng)度約1 mm,加入0.25%胰蛋白酶37 ℃消化20 min。收集上清液,用DMEM/F12 培養(yǎng)基終止消化。按照上述方法重復(fù)3 次。收集細(xì)胞懸液,40 μm 篩網(wǎng)過濾,100×g離心5 min。棄去上清液,用PBS 吹打分散細(xì)胞,制成4×105個(gè)/mL 的單細(xì)胞懸液。根據(jù)Annexin VFITC/PI 試劑盒說明書染色,流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)各組坐骨神經(jīng)活細(xì)胞的存活情況。
1.6.4 Western blotting 檢測(cè)冷凍保存后坐骨神經(jīng)體外表達(dá)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的情況 取上述冷凍保存4周的坐骨神經(jīng)和Fresh 組坐骨神經(jīng)(每組6 根),修剪至長(zhǎng)度約3 mm,置于含10% FBS 和1%雙抗的高糖DMEM 培養(yǎng)基中,在37℃、5% CO2細(xì)胞培養(yǎng)箱培養(yǎng)7 d,每2 d 換液。按照上述Western blotting 步驟檢測(cè)BDNF和GDNF的表達(dá)。
1.6.5 移植術(shù)后電生理檢測(cè) 移植術(shù)后20 周,每組大鼠于原切口暴露坐骨神經(jīng)(每組6 只),刺激電極置于距梨狀肌下緣3 mm 處神經(jīng)干,接收電極置于腓腸肌中間距外踝上方10 mm處,地線接地遠(yuǎn)離兩電極。BL-420N機(jī)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)定肌肉復(fù)合動(dòng)作電位(compound muscle action potential,CMAP) 和神經(jīng)傳導(dǎo)速度(nerve conduction velocity,NCV)。刺激頻率為1 Hz,刺激電流4 mA。
1.6.6 再生神經(jīng)組織學(xué)分析 電生理檢測(cè)后,切取各組移植神經(jīng)中部5 mm 片段。每組隨機(jī)選取2 個(gè)樣本,超薄切片,醋酸鈾-檸檬酸鉛雙染,透射電鏡觀察再生神經(jīng)超微結(jié)構(gòu);其余樣本半薄切片,甲苯胺藍(lán)染色,每張切片隨機(jī)取5 個(gè)視野,CCD 光譜測(cè)量系統(tǒng)分析。Image-ProPlus 6.0軟件分析再生有髓神經(jīng)纖維數(shù)量及髓鞘厚度。
采用GraphPad Prism 6.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。數(shù)據(jù)以±s表示,組間比較采用單因素方差分析,兩兩比較采用最小顯著性差異法(least significant difference,LSD)檢驗(yàn)。P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
檢測(cè)不同溫度預(yù)處理坐骨神經(jīng)和Con 組坐骨神經(jīng)HSP70 蛋白的表達(dá)。結(jié)果(圖1)顯示:42 ℃組HSP70蛋白表達(dá)水平高于37 ℃組、45 ℃組和Con 組(均P<0.05);45 ℃組HSP70 蛋白表達(dá)水平與Con 組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.002),但37 ℃組與Con 組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.086)。
圖1 坐骨神經(jīng)HSP70表達(dá)Fig 1 Expression of HSP70 in sciatic nerve
Western blotting 檢測(cè)冷凍保存4 周的坐骨神經(jīng)和新鮮坐骨神經(jīng)中MHC-Ⅰ、MHC-Ⅱ蛋白的表達(dá)。結(jié)果(圖2)顯示:42 ℃組MHC-Ⅰ、MHC-Ⅱ蛋白與37 ℃組、45 ℃組、Con 組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但與Fresh 組比較差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.001,P=0.000)。
圖2 坐骨神經(jīng)MHC-Ⅰ和MHC-Ⅱ表達(dá)Fig 2 Expression of MHC-Ⅰand MHC-Ⅱin sciatic nerve
Western blotting 檢測(cè)冷凍保存4 周的坐骨神經(jīng)和新鮮坐骨神經(jīng)中caspase-3、caspase-9蛋白的表達(dá)。結(jié)果(圖3)顯示:42 ℃組caspase-3、caspase-9蛋白表達(dá)低于37 ℃組、45 ℃組、Con組,但高于Fresh組(均P<0.05)。
圖3 坐骨神經(jīng)caspase-3和caspase-9表達(dá)Fig 3 Expression of caspase-3 and caspase-9 in sciatic nerve
流式細(xì)胞術(shù)檢測(cè)冷凍保存4周的坐骨神經(jīng)和新鮮坐骨神經(jīng)細(xì)胞存活情況。結(jié)果(圖4)顯示:42 ℃組活細(xì)胞數(shù)高于37 ℃組、45 ℃組、Con 組(均P=0.000),但低于Fresh組(P=0.000)。
圖4 坐骨神經(jīng)細(xì)胞存活情況Fig 4 Survival of sciatic nerve cells
Western blotting 檢測(cè)冷凍保存4 周的坐骨神經(jīng)和新鮮坐骨神經(jīng)體外培養(yǎng)7 d 后BDNF、GDNF 的表達(dá)。結(jié)果(圖5)顯示:42 ℃組BDNF、GDNF 的表達(dá)水平較37 ℃組、45 ℃組、Con 組升高(均P=0.000),與Fresh 組比較差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
圖5 培養(yǎng)7 d后坐骨神經(jīng)中BDNF和GDNF的表達(dá)Fig 5 Expression of BDNF and GDNF in sciatic nerve cultured for 7 d
坐骨神經(jīng)移植術(shù)后20周,電生理檢測(cè)結(jié)果(圖6)顯示:42 ℃-Allo組CMAP、NCV優(yōu)于37 ℃-Allo組、45 ℃-Allo組、Con-Allo組、Fresh-Allo組(均P=0.000);42 ℃-Allo組、Con-Allo組與Fresh-Iso組相比,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P<0.05)。
圖6 術(shù)后20周各組坐骨神經(jīng)CMAP檢測(cè)Fig 6 Detection of CMAP of sciatic nerve in each group at the 20th week after surgery
坐骨神經(jīng)移植術(shù)后20 周,甲苯胺藍(lán)及電鏡結(jié)果(圖7)顯示:42 ℃-Allo組有髓神經(jīng)纖維數(shù)、髓鞘厚度均優(yōu)于37 ℃-Allo 組、45 ℃-Allo 組、Con-Allo 組、Fresh-Allo 組(均P=0.000);42 ℃-Allo 組、Con-Allo 組與Fresh-Iso組間比較,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)。
圖7 術(shù)后20周再生有髓神經(jīng)纖維數(shù)和再生神經(jīng)超微結(jié)構(gòu)Fig 7 Number of myelinated nerve fibers and the ultrastructure of regenerated nerve at the 20th week after surgery
由于存在新的神經(jīng)損傷和神經(jīng)來源限制等問題,自體神經(jīng)移植無法適應(yīng)不同部位、不同程度周圍神經(jīng)缺損修復(fù)的需求[1-2]。具有來源優(yōu)勢(shì)的同種異體神經(jīng)與自體神經(jīng)組織結(jié)構(gòu)相同,是自體移植的很好替代。周圍神經(jīng)冷凍保存能為神經(jīng)缺損的修復(fù)提供充足的移植物,然而,低溫冷凍保存過程中細(xì)胞內(nèi)外冰晶的形成和滲透應(yīng)力變化等情況,會(huì)造成組織、細(xì)胞冷凍保存損傷[3-4]。周圍神經(jīng)冷凍保存過程中SCs 的損傷,可能不利于冷凍保存周圍神經(jīng)同種異體移植后受者神經(jīng)的再生。
本研究應(yīng)用HSP70 減輕周圍神經(jīng)冷凍保存損傷。首先,將大鼠坐骨神經(jīng)在體外不同溫度熱應(yīng)激預(yù)處理1 h,結(jié)果顯示大鼠坐骨神經(jīng)體外42 ℃熱應(yīng)激預(yù)處理可以誘導(dǎo)HSP70高表達(dá);然后,將熱應(yīng)激預(yù)處理后的坐骨神經(jīng)在液氮中保存4周,結(jié)果顯示42 ℃組caspase-3、caspase-9表達(dá)水平低于37 ℃組、45 ℃組和Con組,而其神經(jīng)活細(xì)胞存活率則明顯高于其他冷凍保存組(37 ℃組、45 ℃組、Con組),并且42 ℃組坐骨神經(jīng)體外表達(dá)BDNF、GDNF 能力也高于37 ℃組、45 ℃組和Con組;最后,用冷凍保存坐骨神經(jīng)同種異體移植修復(fù)周圍神經(jīng)缺損,結(jié)果顯示同種異體移植術(shù)后20周,高表達(dá)HSP70的坐骨神經(jīng)-冷凍保存移植組(42 ℃-Allo 組)神經(jīng)再生效果明顯優(yōu)于非高表達(dá)HSP70的坐骨神經(jīng)-冷凍保存移植組(37 ℃-Allo組、45 ℃-Allo組)和新鮮坐骨神經(jīng)-冷凍保存移植組(Con-Allo組)。
HSP 是原核生物和真核生物中發(fā)現(xiàn)的高度保守的蛋白,在正常生理?xiàng)l件下低水平表達(dá),包括HSP90、HSP70、HSP27等[7-8]。HSP70是進(jìn)化中高度保守的蛋白,在營(yíng)養(yǎng)缺失、氧化應(yīng)激、熱應(yīng)激等條件下高表達(dá),通過“分子伴侶”的作用保護(hù)蛋白質(zhì)免于錯(cuò)誤折疊和聚集的危險(xiǎn)[9-10]。研究[13]發(fā)現(xiàn),HSP70 高表達(dá)是保護(hù)腎小管上皮細(xì)胞抵抗低溫保存和復(fù)溫?fù)p傷的原因之一。HSP70 已被證明與凋亡蛋白酶激活因子(apoptotic protease activating factor 1,APAF-1)相結(jié)合,抑制凋亡體的形成,進(jìn)而阻止caspase-9 的成熟和下游caspase-3 的激活[14-15]。在本研究中,我們應(yīng)用HSP70 來減輕周圍神經(jīng)冷凍保存損傷。首先通過體外不同溫度(37 ℃、42 ℃、45 ℃)熱應(yīng)激預(yù)處理大鼠坐骨神經(jīng)1 h,結(jié)果發(fā)現(xiàn),坐骨神經(jīng)在體外42 ℃熱應(yīng)激預(yù)處理能誘導(dǎo)HSP70 高表達(dá);隨之,我們將體外熱應(yīng)激預(yù)處理后的大鼠坐骨神經(jīng)于液氮中保存,結(jié)果顯示,42 ℃組caspase-3、caspase-9 表達(dá)水平更低,細(xì)胞存活率更高,說明熱應(yīng)激預(yù)處理誘導(dǎo)HSP70 高表達(dá)減輕了坐骨神經(jīng)的冷凍保存損傷。
SCs作為周圍神經(jīng)的主要膠質(zhì)細(xì)胞,在周圍神經(jīng)損傷后,為再生軸突提供物理支持,并分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子,構(gòu)建軸突生長(zhǎng)的微環(huán)境[16-17]。SCs分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的能力對(duì)冷凍保存后同種異體移植受者神經(jīng)再生具有積極意義[18-19]。本研究中,我們將冷凍保存后的坐骨神經(jīng)體外培養(yǎng)1周,以評(píng)價(jià)冷凍保存坐骨神經(jīng)SCs表達(dá)神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的能力。結(jié)果提示,液氮冷凍保存后的坐骨神經(jīng)具有表達(dá)BDNF 和GDNF 的能力,而以42 ℃組BDNF 和GDNF 表達(dá)水平最高;異體移植術(shù)后20 周,高表達(dá)HSP70 的冷凍保存移植組(42 ℃-Allo 組) CMAP、NCV、有髓神經(jīng)纖維數(shù)、髓鞘厚度均優(yōu)于非高表達(dá)HSP70 的冷凍保存移植組(37 ℃-Allo 組、45 ℃-Allo 組)和新鮮冷凍保存移植組(Con-Allo 組),其移植后的神經(jīng)再生效果明顯。這些結(jié)果表明,周圍神經(jīng)冷凍保存后存活的SCs,仍具有分泌神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的生物學(xué)功能,有利于同種異體移植后受者神經(jīng)再生。
冷凍保存的周圍神經(jīng)同種異體移植修復(fù)神經(jīng)缺損的效果,除了與冷凍保存后神經(jīng)存活SCs 的活性有直接關(guān)系外,還與冷凍保存周圍神經(jīng)的免疫原性有關(guān)[20]。在本研究中,坐骨神經(jīng)冷凍保存后MHC-Ⅰ、MHC-Ⅱ分子表達(dá),42 ℃組與37 ℃組、45 ℃組、Con組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這表明高表達(dá)HSP70 的坐骨神經(jīng)冷凍保存后維持較高的SCs 存活率,沒有導(dǎo)致冷凍保存神經(jīng)免疫原性的增加,這對(duì)冷凍保存周圍神經(jīng)修復(fù)神經(jīng)缺損的臨床應(yīng)用具有積極意義。
綜上所述,體外熱應(yīng)激預(yù)處理能誘導(dǎo)大鼠坐骨神經(jīng)表達(dá)HSP70,坐骨神經(jīng)高表達(dá)HSP70 能減輕其冷凍保存損傷,提高保存后活性SCs 數(shù)量,促進(jìn)同種異體移植后受者神經(jīng)再生。但HSP70 減輕坐骨神經(jīng)冷凍保存損傷的可能機(jī)制,以及HSP 家族其他成員對(duì)坐骨神經(jīng)冷凍保存損傷的影響,還需要進(jìn)一步研究。
上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)2021年9期